光催化去除氮氧化物(NOx)是一种具有广阔前景的污染治理方法，近年来已受到该领域的广泛关注。纳米二氧化钛(TiO2)由于其廉价易得、性能稳定、反应条件温和、无二次污染等优点，至今仍是最具代表性的光催化剂之一。然而，TiO2较大的禁带宽度、高载流子复合率和低还原能力限制了其应用。与半导体复合形成异质结结构是改善TiO2光催化剂活性的有效方式，其中石墨相氮化碳(g-C3N4 )具有较窄的禁带宽度和较高的还原能力，是与纳米TiO2复合制备g-C3N4/TiO2光催化剂的常用半导体。目前在g-C3N4/TiO2复合材料的制备方向已开展部分研究工作，但是关于其理论计算及应用研究鲜有报道，尤其对材料的几何结构、电子性质和光催化活性三者之间相互关系较为模糊。基于上述因素，本文选择g-C3N4和TiO2复合，以期拓宽TiO2的可见光响应范围和提高它的光催化活性，通过材料表征手段和分子模拟技术从微观和纳观两个尺度探究g-C3N4/TiO2的光催化活性增强机制，最后将该复合材料应用于碎石磨耗层(单层碎石封层)，研究试件对一氧化氮(NO)的降解效果。
　　以三聚氰胺和锐钛矿型商用TiO2为原材料，采用超声辅助高温一步固相法合成g-C3N4/TiO2复合光催化剂，以NO为目标污染物，其降解效率为评价指标，在单因素控制变量法下，研究质量配比、煅烧温度和煅烧时间对样品光催化活性的影响。结果表明，不同参数条件下的样品对NO的降解效率具有相同的规律，即NO降解率均呈先快速上升后缓慢下降直至趋于平缓的趋势。利用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)和光致发光光谱(PL)表征手段研究了复合样品和单体材料的微观构造及光学性质。结果发现，g-C3N4和TiO2的晶相结构在合成过程中并未受到破坏，但TiO2的结晶度降低；g-C3N4的存在改善了TiO2的团聚现象，可能引入的N-Ti配位键使复合物中TiO2的电子结构发生改变，窄化了禁带宽度，扩宽了可见光响应范围。
　　基于第一性原理计算分析了g-C3N4/TiO2纳米异质结的能带结构、电子态密度和差分电荷密度。研究表明，单层的g-C3N4(001)相当于衬底材料TiO2(001)表面施加了一个横向力，使界面结构更加紧密和稳定。g-C3N4(001)/TiO2(001)纳米异质结为间接带隙半导体，其带隙值低于两侧表面，光谱响应范围被扩大。从电子态密度的计算结果分析可知，异质结的形成造成了电子大面积的弥散分布，复合体系比单体材料更趋于稳定。差分电荷密度分析说明界面相互作用使得电子从g-C3N4(001)转移到TiO2(001)表面，而空穴仍留在g-C3N4(001)表面，电子的传输和转移在界面之间形成了一个内极化电场，其存在有利于抑制光生电子空穴对的复合，延长光生载流子的寿命，从而增强光催化活性。
　　选择碎石磨耗层作为载体，设计了g-C3N4/TiO2的三种添加方式：直接混合法(光催化剂与沥青直接混合)、黏结剂表面撒布法(在沥青表面撒布光催化材料)和试件表面渗透法(在成型试件上喷洒光催化渗透液)，研究添加方式和不同掺量对NO降解效率的影响。分析表明，g-C3N4/TiO2材料用于碎石磨耗层的最佳方案为：采用黏结剂表面撒布法成型试件，光催化剂用量占沥青质量的4%(92g/m2)。对不同掺量下试件的集料脱落率进行评价，发现集料脱落率随着掺量的增加而逐渐增大，当掺量为4%时集料脱落率为22.66%，与目前对碎石封层集料脱落率的研究相比，满足要求。